Co może łączyć gwiazdy neutronowe i ciała Układu Słonecznego? Niektóre księżyce planet Układu Słonecznego, takie jak Europa czy Enceladus, mają cienką skorupę, pod którą znajduje się głęboki ocean. Podobnie, cienka skorupa Merkurego przykrywa duże metaliczne jądro tej planety. Warto zauważyć, że powierzchnie tych obiektów są pomarszczone: Europa posiada charakterystyczne cechy liniowe, Enceladus, „tygrysie pasy”, a na Merkurym można dostrzec m.in. skarpy. Z uwagi na budowę wewnętrzną gwiazd neutronowych, również ich powierzchnie mogą posiadać podobne cechy. Jeśli takie nieosiowosymetryczne deformacje rotujących gwiazd neutronowych istnieją, powinny emitować fale grawitacyjne.
Czym jest gwiazda neutronowa? Najprościej mówiąc to 2 masy Słońca skompresowane w kulę o średnicy zaledwie 12 kilometrów. Przyciąganie grawitacyjne na jej powierzchni jest tak wielkie, że zwykła materia, z której są zbudowane, np. Ziemia i Słońce, przekształca się w neutrony – to z nich składa się gwiazda neutronowa, prawdopodobnie nawet w 90%. Biorąc pod uwagę ogromne ciśnienia i gęstości wewnątrz gwiazd neutronowych, można by zgadywać, że mają one niemal idealnie gładką powierzchnię. I tu niespodzianka – naukowcy pokazują, że na powierzchni gwiazd neutronowych mogą powstawać... góry.
O tym, że na powierzchni gwiazd neutronowych coś się dzieje, dowiadujemy się dzięki pulsarom. Pulsarem nazywamy gwiazdę neutronową o bardzo silnym polu magnetycznym, która emituje wiązkę promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie to może być obserwowane tylko, gdy wiązka emisyjna skierowana jest w stronę Ziemi w analogiczny sposób, jak latarnia morska, która jest widoczna tylko, gdy jej światło jest skierowane w stronę obserwatora. Impulsy te są niezwykle regularne lecz z biegiem czasu, w miarę jak gwiazda neutronowa rotuje coraz wolniej, ich częstotliwość maleje o niewielką wartość. Jednak od czasu do czasu pulsar ulega „przeskokom” (ang. glitch) i doświadcza niewielkiego wzrostu rotacji. Dzieje się tak na skutek przesuwania się skorupy gwiazdy, powodującej trzęsienie jej powierzchni.
Wykres pokazuje wzrost okresu rotacji gwiazdy neutronowej na przestrzeni jednego roku oraz przeskok (glitch) wartości tego okresu pojawiający się w okolicy września 1975, po którym pulsar kontynuuje powolny spadek tempa rotacji. Źródło: Sushan Konar
Podobnie jak Ziemia i inne aktywne geologicznie światy doświadczają wypiętrzania się gór, tak też dzieje się z gwiazdami neutronowymi, jednak rozmieszczenie i skala tych formacji zależą od wewnętrznej budowy gwiazd neutronowych, której jeszcze w pełni nie rozumiemy. Autorzy omawianego badania postanowili zbadać ten temat dokładniej. Zaczęli od zauważenia, że jeśli gwiazda neutronowa posiada odkształcenia, które nie są osiowo symetryczne, wówczas każdy obrót gwiazdy neutronowej będzie generował fale grawitacyjne. Aktualnie nie jesteśmy w stanie tych fal wykryć ze względu na ich małą amplitudę, ale przyszłe obserwatoria fal grawitacyjnych będą mogły to zrobić. Następnie Autorzy zauważają, że dokładna analiza odkształceń obserwowanych fal grawitacyjnych pozwoli na rekonstrukcję powierzchni gwiazd neutronowych.
Na ilustracji: porównanie wnętrza Merkurego (po lewej) i Enceladusa (po prawej). Źródło: po lewej: Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation; po prawej: NASA/JPL-Caltech.
Badając Merkurego i Enceladusa, naukowcy zwracają uwagę, że Merkury ma cienką skorupę przykrywającą duże metaliczne jądro, zaś na powierzchni posiada wrębowe skarpy, które są prawdopodobnie spowodowane naprężeniami powstałymi podczas ochładzania się wnętrza Merkurego. Z drugiej strony Enceladus ma cienką lodową skorupę nad warstwą oceanu, a jego struktury powierzchniowe mają wzór „tygrysich pasków”. Inne lodowe księżyce, takie jak Europa, mają natomiast cechy liniowe. Każdy z tych światów ma cechy górskie wynikające z interakcji między skorupą a wnętrzem. Pytanie brzmi więc, czy skorupa i wnętrze gwiazdy neutronowej zachowują się podobnie do któregokolwiek z nich.
Autorzy odkryli między innymi, że jeśli w skorupie gwiazdy neutronowej występują wielkoskalowe anizotropie, generowane przez nie fale grawitacyjne mogą wyznaczyć górną granicę rotacji gwiazd neutronowych. Autorzy biorą pod uwagę również fakt że struktura gwiazd neutronowych może być zróżnicowana: niektóre mogą mieć cechy skorupy podobne do Merkurego, podczas gdy inne mogą mieć cechy podobne do Europy lub Enceladusa. Jeśli tak jest, obserwacje fal grawitacyjnych generowanych przez gwiazdy neutronowe odegrają kluczową rolę w zrozumieniu ich różnorodności.
Więcej informacji: publikacja J. A. Morales i C. J. Horowitz, Anisotropic neutron star crust, solar system mountains, and gravitational waves, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.04855
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Artystyczna wizja gwiazdy neutronowej i jej pola magnetycznego. Źródło: NASA
